一种零能耗矿井恒温通风空调系统及工作方法

发明了一种零能耗矿井恒温通风空调系统及工作方法，尤其适用于存在季节性热害并需要井口保温的矿井通风系统。

背景技术：

0、技术背景

1、季节性热害是矿井热害的主要形式之一，为了满足生产安全的需要，当前解决这两个问题的主要方法是夏季电制冷降温，冬季燃烧矿物燃料加热保温。系统投资巨大，运行费用高，维护复杂耗时。也有部分矿井采用间壁式换热开发矿井排风余热用于井口保温，但由于排风含湿、含尘量高而新风温度低，运行中发现该系统极易出现换热设备结冰、堵塞、换热效率低、占地面积过大、窜风等问题，有一定的安全风险而且运行、管理成本较高；夏季供冷仍然需要另设耗电降温系统。

技术实现思路

1、技术问题：针对上述技术问题，提供一种适合寒冷与严寒地区有季节性热害的矿井，充分利用新风、排风与土壤的自然冷热源，结构简单，安全、可靠、高效地实现零能耗矿井恒温通风空调。

2、技术方案：

3、为实现上述技术目的，本发明的零能耗矿井恒温通风空调系统，包括设置在地面的矿井排风(乏风)管道中的盘管换热系统、盘管换热设备凝结水回收系统；设置在矿井新风(进风)管道中的喷淋换热系统a；设置于地下巷道内的围岩-水储能与换热系统；所述喷淋换热系统a与盘管换热系统之间通过管路相连接；盘管换热设备凝结水回收系统与围岩-水储能与换热系统通过管路相连接。

4、所述盘管换热系统，其换热盘管为光管，布置于排风管道内，其中换热盘管进水一端通过管路与设置于新风管道中的喷淋换热系统a中的载热剂水池底部相连接，换热盘管进水管上设有喷淋水泵，换热盘管出水一端通过管路与喷淋换热系统a中的喷淋管相连接。

5、所述盘管换热设备凝结水回收系统，布置于排风管道内，包括设置于换热盘管下方凝结水盘，凝结水盘下部设有管道与围岩-水储能与换热系统中的地下通风风道下部相连。

6、所述矿井新风管道中的喷淋换热系统a设有载热剂水池，其尺寸与新风管道相匹配，在新风管道新风出风一侧设有挡水板，载热剂水池中设有多组喷淋管，每组喷淋管上设有多个喷淋头。

7、所述围岩-水储能与换热系统，包括地下巷道、围岩-矸石-水储能系统、喷淋换热系统b；所述地下巷道内设有u型钢制地下通风风道，地下通风风道的外径小于地下巷道的内径，其与地下巷道间填充满水-矸石；通过管道与喷淋换热系统b相连。所述围岩-矸石-水储能系统包括巷道围岩及其与地下通风道间的矸石-水。

8、所述喷淋换热系统b设置于地下通风道内，位于u型结构的下部，包括可折叠喷淋管组、内侧横向喷淋供水支管、外侧横向喷淋供水支管、纵向喷淋供水支管、往复电机及拉索传动系统；其中内侧横向喷淋供水支管、外侧横向喷淋供水支管与多根纵向喷淋供水支管相连，构成水平的矩形供水管网；每根纵向喷淋供水支管的两端与内侧横向喷淋供水支管、外侧横向喷淋供水支管的交接处均设有限位密封轴承；所述限位密封轴承其限定纵向喷淋供水管完成旋转运动的角度为0-900；所述可折叠喷淋管组连接、固定于纵向喷淋供水管上；可折叠喷淋管组上设有多个喷淋头。所述地下通风风道其内部水体通过泵及管道与围岩-矸石-水储能系统水体相连。

9、所述水平矩形供水管网位于地下通风道内的水面以下，其内侧横向喷淋供水管的一端通过阀门、喷淋泵b及管道与围岩-矸石-水储能系统的下部水体相连。

10、所述拉索传动系统包含设置于地下通风道内的传动轮、从动轮、柔性拉索b、柔性拉索a；所述传动轮设置于平矩形供水管网的右侧，其通过传动机构与往复电机相接，往复电机的正、反向转动可带动传动轮正、反转动；从动轮设置于平矩形供水管网的左侧，其与传动轮之间设有柔性拉索b，传动轮的正、反转动可带动柔性拉索b左、右运动；柔性拉索b与可折叠喷淋管组之间设有柔性拉索a，柔性拉索b的左、右运动经柔性拉索a可拉动可折叠喷淋管组通过纵向喷淋供水管两端的限位轴承完成0-900旋转运动。

11、所述围岩-水储能与换热系统巷道长度为20-2000m，地下巷道位于-15～-100m深度。

12、所述喷淋换热系统a流量为5-200t/h。

13、所述可折叠喷淋管组往复转动的频率为2次/分钟。

14、一种零能耗矿井恒温通风空调系统及工作方法，其步骤如下：

15、夏季运行时，矿井新风流经地下通风道，通过喷淋换热系统b喷淋与风道壁面的对流换热将热量传给围岩-矸石-水储能系统，此过程中可折叠喷淋管组保持与水面呈900状态；新风被冷却后直接送至井口；喷淋换热后的水存于地下通风道u型结构的下部，经管道、泵、阀门再次流入围岩-矸石-水储能系统中获取冷量，同时围岩-水储能与换热系统完成蓄热。冬季工况时，矿井新风首先流经地下通风道，通过与风道壁面及风道内水面的对流换热被加热，同时围岩-水储能与换热系统完成蓄冷；风道内水面部分结冰，此过程中通过往复电机及拉索传动系统的带动，可折叠喷淋管组保持与水面呈0-900的往复运动，破碎风道内水面的冰块；冰-水混合物经经管道、泵、阀门排出系统。新风继续流入喷淋换热系统a中进一步被载热介质喷淋加热，达到设计温度后送入井口。喷淋换热系统a中被冷却的载热介质经管道、喷淋水泵进入矿井排风管道中的盘管换热系统被加热，而后经阀门进入喷淋换热系统a。盘管换热系统换热过程产生的冷凝水，经由换热盘管下部的凝结水盘、管道、阀门、喷淋泵、阀门送入地下通风管道内的下部。

16、有益效果：

17、1)分别在冬、夏两季充分利用矿井排风与土壤的自然冷热源实现了新风温度的控制，节约了矿石能源的消耗，解决了井下由于夏季新风通风温度较高引起的季节性热害问题，也解决了冬季井口保温所需的热量问题，实现了零能耗井下冬夏恒温的目的。2)在排风与新风风道分别设置换热系统，避免了排风窜入新风的安全隐患；3)冬季先利用盘管换热设备凝结水余热与围岩-水储能系统加热新风，再利用排风盘管获取排风热量，可避免新风风温过低引起的盘管表面结霜问题，提高排风余热利用系统的换热效率与可靠性；4)对排风夏季采用喷淋换热系统换热，冬季采用盘管换热，可以避免排风凝结水进入载热介质，稀释介质浓度；保证了系统可靠性；5)充分利用排风、新风、围岩冷热源实现储能系统的冬夏冷热平衡，可保证系统长期稳定运行；6)整体系统简单，易于建造，维护方便操作方便，效果明显。

技术特征：

1.一种零能耗矿井恒温通风空调系统，其特征在于：它包括设置在地面（29）的矿井排风（乏风）管道（13）中的盘管换热系统（1）、盘管换热设备凝结水回收系统；设置在矿井新风（进风）管道（12）中的喷淋换热系统a（3）；设置于地下巷道内的围岩-水储能与换热系统（5）；所述盘管换热系统（1），其换热盘管为光管，换热盘管进水一端通过管路及喷淋水泵a（2）与设置于新风管道（12）中的喷淋换热系统a（3）的载热剂水池（14）的底部相连接，换热盘管出水一端通过管路与喷淋换热系统a（3）中的喷淋管相连接。

2.所述矿井新风管道（12）中的喷淋换热系统a（3）包括设置在新风管道（12）内的载热剂水池（14），其尺寸与新风管道（12）相匹配，在新风管道新风出风一侧设有挡水板，载热剂水池（14）中设有多组喷淋管，每组喷淋管上设有多个喷淋头。

3.所述围岩-水储能与换热系统（5），包括地下通风道（28）、围岩-矸石-水储能系统（27）、喷淋换热系统b（34）；所述地下通风道（28）为设置于地下巷道内的u型结构钢制通风道，钢制通风道的外径小于地下巷道的内径，其与地下巷道间填满水-矸石；所述围岩-矸石-水储能系统（27）包括巷道围岩及其与地下通风道间的矸石-水。

4.所述盘管换热设备凝结水回收系统包含设置于盘管换热系统（1）下部的凝结水盘（15），凝结水盘（15）通过管道、阀门a（4）、喷淋泵c（10）、阀门f（25）与地下通风管道（28）内的下部空间相连。

5.所述喷淋换热系统b（34）设置于地下通风道（28）u型结构的下部，包括可折叠喷淋管组（11）、内侧横向喷淋供水管（31）、外侧横向喷淋供水管（32）、纵向喷淋供水管（30），往复电机（21）及拉索传动系统；其中内侧横向喷淋供水管（31）、外侧横向喷淋供水管（32）与多根纵向喷淋供水管（30）相连，构成水平矩形供水管网（33）；纵向喷淋供水管（30）两端与内侧横向喷淋供水管（31）、外侧横向喷淋供水管（32）间的交接处均设有限位密封轴承（23）；所述限位密封轴承（23）其限定纵向喷淋供水管（30）完成旋转运动的角度为0-900；所述可折叠喷淋管组（11）连接、固定于纵向喷淋供水管（30）上；可折叠喷淋管组（11）上设有多个喷淋头；所述地下通风风道（28）其内部水体通过管道、泵b（8）、阀门c（7）与围岩-矸石-水储能系统（27）相连。

6.所述水平矩形供水管网（33）位于地下通风道（28）内的水面（24）以下，其内侧横向喷淋供水管（31）的一端通过阀门g（26）、喷淋泵b（10）、阀门e（17）及管道与围岩-矸石-水储能系统（27）的下部水体相连。

7.所述拉索传动系统包含设置于地下通风道（28）内的传动轮（22）、从动轮（19）、柔性拉索b（20）、柔性拉索a（18）；所述传动轮（22）设置于水平矩形供水管网（33）的右侧，其通过传动机构（9）与往复电机（21）相接，往复电机（21）的正反向转动可带动传动轮（22）正反转动；从动轮（19）设置于平矩形供水管网（33）的左侧，其与传动轮（22）之间设有柔性拉索b（20），传动轮（22）的正、反向转动可带动柔性拉索b（20）的左右运动；柔性拉索b（20）与可折叠喷淋管组（11）之间设有柔性拉索a（18），柔性拉索b（20）的左、右运动经柔性拉索a（18）可拉动可折叠喷淋管组（11）通过纵向喷淋供水管（30）两端的限位密封轴承（23）完成0-900旋转运动。

8.一种使用权利要求1所述一种零能耗矿井恒温通风空调系统的工作方法，其特征在于步骤如下：

技术总结本发明公开了一种零能耗矿井恒温通风空调系统及工作方法，属于矿井通风领域。包含设置在矿井排风管道中的盘管换热系统、盘管换热设备凝结水回收系统；设置在矿井新风管道中的喷淋换热系统a；设置于地下巷道内的围岩‑水储能与换热系统；夏季矿井新风流经地下巷道将热量传给围岩‑水储能换热系统，新风被冷却；围岩‑水储能与换热系统完成储热；冬季矿井新风先流过地下巷道获取热量，再流经喷淋换热系统a被加热，围岩‑水储能与换热系统完成储冷，盘管换热设备凝结水回收系统将换热过程中产生的凝结水输入地下通风道内；新风使水面部分结冰，冰面经可折叠喷淋管组破碎后排出系统。其结构简单，可实现矿井零能耗四季恒温通风空调。技术研发人员：吴学慧,岳丰田,孙猛,石荣剑,张勇,陆路,胡玉方,陈立国受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9